西松建設技報 VOL.38 に必要な最適作製条件および不溶化メカニズムを確認した． ジオポリマーによる焼却飛灰中 のセシウム不溶化メカニズムの 確認 3．セシウム不溶化性能確認実験 実験では，塩化セシウム（CsCl）1 wt％を添加した都 市ごみ焼却飛灰を用いてジオポリマーを作製し，大型 椎名 貴快 * 原田 耕司 * 放射光施設 SPring-8 のビームライン BL01B1 において， Takayoshi Shiina Koji Harada 養生温度を 20℃，50℃，80℃，105℃と変えて一定時間 ごとに X 線吸収端微細構造（XANES）分析を行い，ジ オポリマーの硬化進行による化学状態の経時変化を調べ 1．はじめに た（写真− 1） ． 本実験における代表結果として，図− 1 に養生温度 放射性セシウムに汚染された廃棄物の安全な処理技術 20℃と 105℃での結果を示す．同図より，20℃室温環境 の開発は喫緊の課題である．特に，可燃ごみの熱処理に 下ではガスの発泡によって不明瞭なスペクトルを示し， より発生するごみ焼却飛灰中のセシウムは水に極めて溶 時間が経過しても塩化セシウムからの変化は確認されな 出しやすいことが知られており，不溶化技術が求められ かった．一方，養生温度 105℃では，経過時間 4 時間 50 ている．著者らは京都大学大学院高岡教授らの研究グ 分以降では，練混ぜ直後の時間帯と比較して明らかなス ループと共同で，セメント固型化処理よりもセシウムの ペクトルの変化を確認でき，セシウム周りの構造変化 不溶化性能に優れた技術としてジオポリマーに注目し， を確認できた（図− 1）．観察の結果，化学形態として， 不溶化メカニズムの解明を目指した．実験では，事前試 塩化セシウム（CsCl）がセシウムを含むケイ酸塩鉱物 験の結果から選定した配合に基づいて材料を練混ぜ，養 の一つであるポルサイト（ポルックス石：CsAlSi2O6）へ 生温度や経過時間がセシウム固定化性能に与える影響を と変化し，安定化合物が生成されていることを確認できた． 大型放射光施設 SPring-8（兵庫県播磨科学公園都市）な 次に，ジオポリマー硬化体の溶出試験を実施し，ジオ どにおいて確認した．その結果，セシウムを含んだ焼却 ポリマー作製時の養生温度と経過時間がセシウムの不溶 飛灰をジオポリマー技術により所定条件の下で固めるこ とで，セシウムイオンが化学的に安定した鉱物形態を成 し，溶出しにくくなるメカニズムを確認した．本報では 実験結果から得られた知見について報告する． 2．ジオポリマー ジオポリマーは，フランスの Davidovits 1） ，2） が提唱し た材料で，アルミノケイ酸塩（フィラー），アルカリ溶 液（アルカリ活性剤）およびケイ酸水溶液が反応して生 成される非晶質の縮重合体（ポリマー）の総称である． 写真− 1 SPring-8 での実験セル ジオポリマーの反応は，アルミノケイ酸塩がアルカリ溶 液と反応しアルミニウム（Al）やアルミノケイ酸塩中の 金属元素などが溶解し金属イオンとして存在し，その溶 解した金属イオンが架橋構造を形成することでポリマー 化して生じる．この固化の過程で，金属がジオポリマー 内の構造に固定され安定化することから重金属固化剤と しての研究が先行している．高岡教授らの研究グループ による先行研究 3） では，ジオポリマーには鉛（Pb）や 亜鉛（Zn）などの重金属の固定化の他，安定同位体セ 133 シウム（ Cs）を不溶化する効果も確認されている．し かしながら，セシウムの不溶化性能を高めるための作製 条件については明らかにされていない．そこで，養生温 度や養生時間を検討水準とした実験を行い，セシウム固定 * 技術研究所土木技術グループ 図− 1 養生温度別 Cs-K 吸収端スペクトルの経時変化 （左：養生温度 20℃，右：養生温度 105℃） ジオポリマーによる焼却飛灰中のセシウム不溶化メカニズムの確認 西松建設技報 VOL.38 化性能に与える影響を確認した（図− 2） ．試験の結果， 養生温度が高温ほど早期に溶出率は小さくなり，時間経 過とともに溶出率は緩やかになった．本結果とスペクト ル分析の結果を比較すると，溶出率の変化とセシウムの スペクトル変化に関係性が認められ，セシウムの化学形 態変化つまりポルサイト状化合物の生成が不溶化の主因 であると考えられた． 4．セシウム長期溶出試験 ジオポリマーによるセシウムの長期固定化性能を確認 図− 2 養生温度別セシウム溶出率の経時変化 するため，溶出試験の時間を一般的な 6 時間よりも延長 表− 1 配合仕様（練混ぜ量 100g 当り）（g） して 28 日間で評価した．試験に用いた配合は全 3 配合 （a）メタカオリン GP 配合 とし， （a）メタカオリンをフィラーに用いたジオポリマー 配合， （b）副産物（フライアッシュ，高炉スラグ微粉末） を用いたジオポリマー配合，（c）一般的なセメント固型 化配合である（表− 1） ．なお試料はすべて 2 mm 以下 に粉砕して溶媒との接触面積を大きくし，一般的な評価 中性灰 メタカオリン NaOH 溶液 25 25 16.7 水ガラス（ケイ酸ナトリウ ム水溶液）（2 倍希釈） 水ガラス 超純水 16.7 16.7 （b）副産物 GP 配合（GP 溶液比 40 wt％） 方法よりも溶出しやすい条件の下で実施した． 試験の結果，溶出時間 28 日での溶出率は（c）セメン ト固型化配合で 80％以上と極めて高い値であった（図 − 3） ．一方，ジオポリマー配合では時間が経過しても 中性灰 ASh フライアッシュ FA 高炉スラグ微粉末 BFS GP 溶液 GP 33.7 18.4 7.8 40 （c）セメント固型化配合（W/C ＝ 1.05，Ash/C ＝ 2.0） セシウム固定化性能を保持しており，（b）副産物 GP 配 合で 16.3％， （a）メタカオリン GP 配合で 7.4％と極め 中性灰 Ash 水 W セメント C 49.4 25.9 24.7 て低い結果であった．また溶媒の pH 値および電気伝導 率の測定結果を表− 2 に示す．pH 値は試験開始直後は 12 程度であったが， （c）セメント固型化配合で上昇傾 向が見られた．電気伝導率の値は，（c）セメント固型化 配合で 3,550 mS/m となり，ジオポリマー配合の約 1.4 ∼ 1.6 倍の値であった．これは溶出による金属元素の濃 度変化が影響している． 5．まとめ セシウムを含む焼却飛灰をジオポリマーに混合し，養 図− 3 長期溶出試験結果 生温度 105℃で 24 時間以上を保つことで，セシウムが 表− 2 溶媒中の pH 値および電気伝導率の経時変化 ポルサイト状の安定化合物に変化し，水に極めて溶け出 しにくい性質となることが判明した． 項目 配合 pH 値 1日 3日 7日 28 日 （a）配合 12.0 12.0 12.0 12.0 11.7 （b）配合 12.0 12.1 12.1 12.1 12.2 （c）配合 11.9 12.2 12.4 12.5 12.5 電気 （a）配合 伝導率 （b）配合 （mS/m） （c）配合 2,130 2,120 2,190 2,170 2,160 2,320 2,370 2,370 2,470 2,590 3,090 3,320 3,500 3,500 3,550 謝辞 : 本実験計測にご指導ご協力を頂いた大型放射光施 設 SPring-8 の関係各位に心より謝意を表します． 参考文献 1）Davidovits, J., Bonett, A. and Mariotte, A. M.: The disaggregation of stone materials with organic acids from plant extracts, an ancient and universal tech- 溶出時間 6 時間 surface ceramics, Proc. 22nd Symp. on Archaeom- nique, Proc. 22nd Symp. on Archaeometry, Univer- etry, University of Bradford, pp. 213–217, 1982. sity of Bradford, pp. 205–12, 1982. 3）中村尊郁：都市ごみ焼却残渣中有害金属のジオポリ 2）Bouterin, C. and Davidovits, J.: Low temperature geo- マーによる不溶化処理，京都大学工学部卒業論文， polymeric setting of ceramics: fabrication of black- 2012. 2
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